高原低涡结构特征模拟与诊断的初步研究

利用二重嵌套的非静力中尺度数值模式MM5对2005年7月28—29日的一次高原低涡过程进行了数值模拟,并利用模拟结果对此次低涡的结构进行了初步分析。结果表明：MM5模式对此次低涡过程有较好的模拟能力,模拟出的位势高度场分布和涡度场结构与实况基本吻合。此次高原低涡具有同热带气旋相似的涡眼（空心）结构和暖心结构。在流场上,高原低涡在涡眼区下层表现为辐散下沉运动,上层为辐合上升运动;而在涡心四周下层表现为辐合上升运动,上层为辐散下沉运动;在涡度场上,高原低涡下层为正涡度区,上层为负涡度区。     

基于卫星观测的两例青藏高原低涡结构的初步分析

应用风云2C卫星云图和配有云顶亮温的MTSAT卫星红外云图,描述了两例青藏高原低涡形成、发展及消亡过程,云图清晰显示了高原低涡具有涡眼和暖心结构的特征,并利用水汽图分析揭示了缺乏水汽供应是导致这类低涡不能进一步发展并移出高原的重要原因.最后用1°×1°NCEP分析资料对高原低涡形成眼结构时的基本物理场进行了诊断计算.结果表明:低涡整体为上升气流,而涡眼区在近地层为下沉气流,上层为相对涡区较弱的上升气流;低层辐合,高层辐散.进而印证了动力学研究工作得出的高原低涡具有与热带气旋类低涡(TCLV, tropical cyclone-like vortices)类似的涡眼和暖心结构特征的结论.     

夏季青藏高原低涡结构的动力学研究

应用卫星云图资料分析了两例夏季青藏高原低涡发展过程及其结构演变,揭示出高原低涡结构特征的若干观测事实。在此基础上借鉴研究类热带气旋低涡的方法,将暖性青藏高原低涡视为受加热和摩擦强迫作用,且满足热成风平衡的轴对称涡旋系统,通过求解柱坐标系中的线性化涡旋模式,得出边界层动力作用下低涡的流函数解,重点讨论了地面热源强迫和边界层动力"抽吸泵"对高原低涡流场结构的作用。研究认为,由于边界层加热和摩擦的共同作用,高原低涡的温度场呈暖心结构。热源强迫的边界层低涡的散度场存在一个动力变性高度,该高度的位置与边界层顶高度有关。通过边界层动力抽吸作用,当边界层顶有气旋性涡度时,能引起边界层低涡的水平辐合运动和随高度增强的上升运动,并可加强低涡的切向流场;如果低涡的中心区域为"内冷外热"型加热分布,则热源强迫的低涡中心区域下层为辐散气流和随时间减弱的切向流场,上层为辐合气流和随时间增强的切向流场,并伴有下沉运动,从而有利于形成涡眼(或空心)结构,在卫星云图上表现为低涡中心为少云(或无云)区,即这类高原低涡具有与台风类似的眼结构,因而可视为类热带气旋涡旋的新例证。最后通过高原低涡的简化模型对低涡所含的波动进行了分析和讨论,结果表明:高原低涡中既含有涡旋Rossby波,又含有惯性重力波,即低涡波动呈现涡旋Rossby-惯性重力混合波特征。     

重庆"9.5"特大暴雨的诊断分析

利用NCAR/NCEP逐日资料（一日4次）和北京大学物理学院大气科学系研制的客观分析诊断系统对2005年重庆“9．5”特大暴雨的成因进行了天气动力学诊断分析。结果表明：向南运动的高层北风急流下沉与低空急流上升支组成的西南低涡是本次特大暴雨的主要影响天气系统，“桑达”台风移动缓慢可能是造成此次特大暴雨的间接原因；特大暴雨出现在中低层辐合、高层辐散的正涡度中心下方和负涡度中心西侧；湿位涡高值带对应着降雨带，高值中心与暴雨中心基本吻合，对暴雨预报有指示意义。     

北京一次强对流天气过程的数值模拟

为了对发生于2008年07月04日北京的一次强对流天气有更多的认识,利用三维对流云模式对其进行数值模拟研究。结果表明：模式可以较好地模拟出强对流天气各主要宏观发展阶段的特征,以及云中水成物粒子转化的微观特征;模式能够很好地模拟出此次强对流天气过程的风场特征,对流系统中存在有利的环境条件,风暴是由气流的辐合上升引起的。在发展初期,对流云低层为辐合上升气流,在对流云发展的成熟阶段,近地面层以辐散气流为主,中上层以辐合气流为主,且辐合达到最大,之后随着云体的消散,低层辐散下沉气流加强。气流在顶端转变方向,形成辐散出流。     

湖南“6.19＂暴雨过程的中尺度特征分析

针对2010年6月19～20日湖南一次大范围暴雨过程,利用常规观测资料、FY-2E卫星TBB资料、NCEP1°×1°格点资料及WRF模式输出的高分辨率资料,采用数值模拟和诊断分析相结合的方法,综合分析了此次暴雨过程.结果表明：东移短波槽及低层低涡是此次暴雨的主要影响系统;卫星资料分析显示,α中尺度对流云团前部不断有β中尺度扰动分裂和发展;WRF模式模拟结果表明,此次大范围暴雨过程是多尺度系统影响的结果,在有利的大尺度环流背景下,激发了中小尺度对流系统的活动,导致强降水带中出现了多个中尺度扰动和与此对应的中尺度雨团有组织的活动,是暴雨发生的主要原因;中尺度雨团对应着强上升气流柱、正涡度柱和低层强辐合、高层强辐散的散度结构.     

皖北地区一次强对流天气过程的综合分析

利用常规和加密观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及多普勒雷达资料,对2007年8月2日安徽北部地区发生的一次强对流天气过程进行综合分析.结果表明:中低空切变线是此次强对流天气的触发系统,地面湿度突变线对飑线的生成及发展具有指示意义.低层850hPa低涡较强的辐合,与位于高空大风速带入口区右侧的强辐散的耦合作用,导致强对流天气发生区上空生成次级反环流圈.该反环流圈从北(南)方携带干冷(暖湿)气流下沉(上升),两者交汇进而引发强对流天气的发生.在雷达回波上,飑线生成前期,少数单体不连续地排列成线,但并未连通;飑线生成后,带状特征清晰,并且反射率因子大,多处呈现三体钉状散射体;速度回波上有成熟阶段的速度模糊现象以及消亡阶段出现的逆风区.雹暴的回波具有明显的V型缺口以及速度场上风速的辐合,当逼近雷达测站时,测站上空速度场上出现了牛眼结构.     

一次高原低涡东移引发强降水过程的数值试验

以2008年7月20-22日一次高原低涡东移出高原例,利用MM5中尺度模式进行数值试验,分析冷空气和南北风强度变化对低涡维持和发展的影响以及对伴随的强降水过程的影响,探讨高原低涡发展维持机制和降水发生机制.分析结果表明:对流层中低层冷空气势力强弱较南北风场变化对降水落区和强度、低涡维持和发展,以及涡区物理量特征都有着更大的影响.适度的冷空气入侵有利于低涡的维持与发展,而过强的冷空气入侵,不利于辐合上升运动的维持,并降低大气的饱和程度,使高原低涡强度迅速减弱,过程降雨量明显减少.     

青藏高原500hpa暖性高压生成的热成风适应机制

本文利用热成风适应原理,采取分解分析法对青藏高原500hpa暖性高压的生成机制作了一些定性和定量的讨论。结果表明:在扰动的水平尺度大于热成风适应的特征尺度的条件下,当源地有明显的负值非热成风涡度出现时,流场将向温度场适应,而温度场由于高原的加热作用存在暖中心或暖脊,则适应的结果在高原大气500hpa形成暖性高压,并伴随高层辐合,低层辐散及下沉运动。     

温州地区一次暴雨过程分析及数值模拟

针对WRF中尺度数值模式较少应用在地形复杂地区,而在浙江省南部山区的温州地区则更缺乏实际应用的案例,利用WRF模式,对2010年5月13～14日温州地区出现的一次暴雨过程进行数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料进行诊断分析.通过分析模拟结果,验证了WRF模式较好地模拟了此次降水过程的时空分布特征,但仍存在着部分区域降水量偏高,暴雨落区偏差等误差.研究结果表明,暴雨中心的强上升运动及低层辐合、高层辐散的配置有利于中尺度对流系统的发生发展,高低空急流耦合是此次暴雨爆发的重要机制.暴雨区域高湿高能环境的维持,保证了暴雨过程的能量输送,也是此次暴雨能够长时间地持续发生的必要条件之一.降水量最大区域的中心与对流层中的最大垂直速度中心都出现在同一区域,而在垂直速度最大区域的两侧都存在有一个垂直的次级环流,这些有利条件对维持强烈的上升运动起关键作用.     

热源强迫的非线性惯性重力内波及其应用

利用动力学分析中的相平面方法,由z坐标系下的非绝热大气运动方程组导出了与非线性惯性重力内波有关的KdV方程,然后利用直接积分法得到两类有天气意义的孤立波解.初步建立了孤立波解与高原低涡的联系,进一步从理论上论证了高原低涡具有与热带气旋类低涡类似的涡眼和暖心结构的特征.     

湘中一次大暴雨天气的综合诊断分析

利用NCEP的1°×1°再分析资料、FY-2E逐小时TBB资料以及常规气象观测资料,对湘中地区2010年5月12—13日大暴雨过程的环流形势、物理量场以及中尺度系统进行综合分析,试图从多角度揭示这次大暴雨天气的成因。结果表明：高空南支槽,中低层切变以及地面冷空气是这次大暴雨天气过程的主要影响系统;低空急流作为暖湿气流的载体,为暴雨的产生提供了充足的能量条件和水汽条件;冷空气侵入高能不稳定的暖湿气团,是触发暴雨不稳定能量释放的热力机制;z-螺旋度的空间分布能反映暴雨发生时大气的动力特征,中低层强辐合,高层强辐散与低层正涡度的空间结构,有利于高低层形成“抽吸作用”,从而使上升运动得到发展和加强,为暴雨的产生提供有利的动力条件;高分辨率的云顶亮温TBB资料对降水的强度及落区有很好的指示意义。     

凝结潜热在高原涡东移发展不同阶段作用的初步研究

为探讨潜热加热对高原涡发展的作用并加深对水汽与高原涡垂直结构及发展变化关系的认识。应用NCEP(1°×1°)再分析资料,通过大气热源诊断计算,分析2005年5月1~4日和2005年6月23~28日两次高原涡的垂直结构及生命史特征。通过比湿、涡度、Q2等诊断量的对比分析发现:高原涡在东移发展过程中,涡柱内水汽含量上升、涡度明显加强,水汽、涡度上传明显,两者在垂直方向的大值中心有较好的同步性。高原涡未下坡前,水汽通过凝结释放潜热的方式加热大气,高原涡暖中心结构明显。高原涡下坡过程中,其涡度和垂直速度均整层陡增,高原涡区域水汽含量下降,潜热加热作用减弱,暖中心结构消失。因此,大气中水汽的含量和垂直分布状况直接影响凝结潜热作用的发挥,凝结潜热对高原涡发展作用主要表现在高原涡下坡前和下坡后期,是高原涡下坡后是否继续东移发展的重要影响因素。     

Numerical simulation of the genesis of typhoon Durian (2001) over the South China Sea: The effect of sea surface temperature

Typhoon Durian (2001),which formed over the South China Sea (SCS),was simulated by using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The genesis of typhoon Durian which formed in the monsoon trough was reproduced by numerical simulations. The simulated results agree reasonably well with observations. Two numerical experiments in which the sea surface temperature (SST) was either decreased or increased were performed to investigate the impact of the SST on the genesis of the ty-phoon. When the SST was decreased by 5℃ uniformly for all grids in the model,the winds calculated became divergent in the lower troposphere and convergent in the upper troposphere,creating conditions in which the amount of total latent heat release (TLHR) was low and the tropical cyclone (TC) could not be formed. This simulation shows the importance of the convergence in the lower tropo-sphere and the divergence in the upper troposphere for the genesis of the initial vortex. When the SST was increased by 1℃ uni-formly for all grids,a stronger typhoon was generated in the results with an increase of about 10 m s-1 in the maximum surface wind speed. Only minor differences in intensity were noted during the first 54 h in the simulation with the warmer SST,but apparent dif-ferences in intensity occurred after 54 h when the vortex began to strengthen to typhoon strength. This experiment shows that warmer SST will speed the strengthening from tropical storm strength to typhoon strength and increase the maximum intensity reached,while only minor impact can be seen during the earlier stage of genesis before the TC reaches the tropical storm strength. The results sug-gest that the amount of TLHR may be the dominant factor in determining the formation and the intensification of the TC.     

Field observations of debris-flow initiation processes on sediment deposits in a previous deep-seated landslide site

Although information regarding the initiation processes of debris flows is important for the development of mitigation measures,field data regarding these processes are scarce.We conducted field observations of debris-flow initiation processes in the upper Ichinosawa catchment of the Ohya landslide,central Japan.On 19 June 2012,our videocamera monitoring systems recorded the moment of debris-flow initiation on channel deposits(nine surges) and talus slopes(eight surges).The initiation mechanisms of these surges were classified into three types by analyzing the video images: erosion by the surface flow,movement of deposits as a mass,and upward development of the fluid area.The first type was associated with the progress of surface flow from the upper stream on unsaturated channel deposits.The second type was likely caused by an increase in the pore water pressure associated with the rising in the groundwater level in channel deposits;a continuous water supply from the upper stream by the surface flow might have induced this saturation.The third type was associated with changes in the downstream topography caused by erosion.The flow velocity of most surges was less than 3 m s~(-1) and they usually stopped within 100 m from the initiation point.Surges with abundant pore fluid had a higher flow velocity(about 3- 5 m s~(-1)) and could travel for alonger duration.Our observations indicate that the surface flow plays an important role in the initiation of debris flows on channel deposits and talus slopes.     

青藏高原东南缘壳幔耦合强震孕育模型研究

结合青藏高原东南缘软弱带的分布及地震活动性的深度空间特征，提出强震孕育的壳幔耦合模型。利用中国国家数字地震台网和四川云南区域数字地震台网及布设在青藏高原东南缘的地震台站所记录的远震SKS波形资料，通过剪切波分裂得出上地幔各向异性结果数据，描绘出青藏高原东南缘的上地幔各向异性图像；再分别同该地区GPS观测的速度场数据、区域构造应力场数据和13 km深度的介质密度数据进行相关性处理与分析，并针对本文提出的孕震模型进行一定程度的验证。对形变场和应力场耦合特征的研究表明，各向异性的快慢波时间延迟、快波偏振方向总体分别与GPS 测量的地壳运动速度场方向变化和水平最大应力方向相关性较大，壳幔各圈层相互作用及软流圈的流动所展示的地震各向异性都与应力传递机制息息相关。通过相关分析可以得到壳内软弱带（低速高导体）在壳幔耦合运动研究中的关键作用，而该类耦合运动与地震孕育息息相关。